L’évolution de l’industrie des batteries au cours des dernières années est principalement due à l’électrification de l’automobile et au besoin croissant de systèmes de stockage d’énergie renouvelable. Aujourd’hui, la demande de batteries de meilleure qualité, de plus grande capacité, plus durables et plus fiables et, surtout, de coûts de fabrication plus faibles, ne cesse de croître. En outre, la grande variété d’applications montre que les batteries lithium-ion habituelles ne sont pas toujours la solution la plus adaptée.
Alors qu’une grande partie de l’industrie s’est engagée à poursuivre le développement de la technologie et de l’infrastructure des batteries lithium-ion pour répondre à cette demande, de plus en plus de programmes de R&D recherchent des solutions différentes. L’accent est mis en grande partie sur les chimies alternatives des batteries : les batteries LFP (lithium ferrophosphate), les anodes en lithium métal ou en silicium et les électrolytes solides font l’objet de la plus grande attention.
Mais certaines recherches ont préféré prendre d’autres directions, en tirant parti des propriétés de différents matériaux et produits tels que le sodium ou les fluorures, ou en optant pour des solutions originales telles que celles développées à partir d’aliments par l’Institut italien de technologie (IIT), les piles à eau du Laboratoire national d’Argonne, les piles à air de l’Université d’Oldenburg, ou celles basées sur les carapaces de crabe de l’Université du Maryland.
Piles fabriquées à partir d’aliments
L’un des développements les plus intéressants dans le domaine de la technologie des batteries alternatives provient de l’Institut italien de technologie (IIT), qui a mis au point des batteries fabriquées à partir d’aliments. Inspirée des réactions biochimiques qui se produisent naturellement chez l’homme, la batterie de l’IIT est composée de plusieurs matériaux standard et comestibles.
Plus précisément, les chercheurs ont conçu une batterie qui utilise la riboflavine (vitamine B2) comme anode et la quercétine (un complément alimentaire) comme cathode. En outre, la batterie comporte un électrolyte à base d’eau encapsulé dans de la cire d’abeille, un séparateur fabriqué à partir d’algues nori et des contacts fabriqués à partir d’or de qualité alimentaire.
Les chercheurs décrivent la batterie dans un article intitulé “Une batterie rechargeable comestible”. La batterie obtenue fournit une tension nominale de 0,65 V et un courant de sortie continu de 48 uA pendant 12 minutes. Par ailleurs, dans une configuration avec une LED, les chercheurs ont démontré que leur batterie pouvait également durer plus d’une heure tout en fournissant des microampères à une LED de faible puissance.
Selon les chercheurs, les piles comestibles mises au point pourraient avoir des applications importantes dans plusieurs domaines où les piles traditionnelles ne sont pas utilisables, comme le diagnostic et le traitement des maladies du tractus gastro-intestinal, ainsi que la surveillance des aliments.
Batteries à base d’eau
L’équipe de chercheurs de l’Université A&M du Texas a récemment publié un article dans la revue Nature, dans lequel elle expose ses conclusions sur les batteries à base d’eau. Dans cette étude, les chercheurs ont cherché à mieux comprendre les performances des polymères radicaux non conjugués redox-actifs utilisés dans les batteries à base d’eau. Dans ce type de batterie, la cathode et l’anode sont constituées de matériaux polymères, tandis que l’électrolyte est une solution aqueuse, c’est-à-dire essentiellement de l’eau mélangée à des sels organiques.
Dans l’étude, les chercheurs ont mélangé l’eau et l’électrolyte avec différents types de sels organiques pour comprendre leur impact sur les performances de l’électrolyte et de la batterie. L’équipe a découvert que, selon les sels utilisés, la capacité de la batterie peut varier de manière significative, jusqu’à 1 000 %.
Cette expérience leur a permis de mieux comprendre le fonctionnement interne des batteries à base d’eau et ils espèrent s’en servir pour concevoir de meilleures batteries plus performantes à l’avenir.
Entre-temps, des scientifiques de General Electric et du Lawrence Berkeley National Laboratory mettent au point une batterie à eau capable d’aller au-delà du stockage stationnaire traditionnel de l’énergie. Les chimies que les scientifiques de GE sont en train de mettre au point permettront de créer une batterie à flux qui tire son énergie d’une nouvelle réaction électrochimique qui se déroule en toute sécurité dans un bain d’eau.
Batteries à air
Ce type de batterie utilise l’oxygène comme l’une de ses électrodes pour produire de l’électricité. Comme celles que l’on utilise couramment aujourd’hui, l’anode est constituée de lithium, tandis que la cathode est une couche poreuse de carbone qui permet à l’oxygène de l’air de pénétrer dans la batterie. C’est la réaction chimique entre l’oxygène et le lithium qui génère l’électricité.
Leur principal avantage réside dans la densité énergétique élevée qu’elles offrent, car elles sont capables de stocker beaucoup plus d’énergie dans un espace relativement restreint. C’est pourquoi elles sont intéressantes pour les véhicules électriques. Parmi les défis techniques à relever pour en faire un produit commercialement viable figurent la stabilité et la dégradation.
Des chercheurs de l’université d’Oldenburg expérimentent ces batteries dans le but d’en améliorer la stabilité. L’équipe du projet vise à concevoir une membrane qui sépare l’électrode positive de l’électrode négative, ce qui permet d’utiliser des électrolytes différents de chaque côté.
Batteries à base de carapaces de crustacés
La rareté du lithium dans la croûte terrestre a conduit certains chercheurs à s’intéresser à l’un de ses cousins chimiques : le sodium. Ce matériau est le sixième élément le plus abondant sur terre, il est illimité et durable car il est récolté et non extrait. En outre, les batteries sodium-ion présentent des avantages cruciaux pour les fabricants et les propriétaires de véhicules électriques : durabilité de l’approvisionnement en matières premières, prix abordable et sécurité accrue. Elles présentent toutefois un inconvénient : leur densité énergétique plus faible, bien que cette caractéristique soit susceptible de s’améliorer dans les années à venir.
Bien que chimiquement similaires au lithium, les ions sodium sont plus gros et donc incompatibles avec l’anode d’une batterie lithium-ion, qui est généralement constituée de graphite.
Pour contourner cet inconvénient, l’équipe dirigée par Yun Chen, de la Shandong Academy of Medical Sciences, a créé une batterie zinc-ion biodégradable en utilisant de la chitine provenant de carapaces de crabes. Ce déchet peut également être converti en carbone dur, un matériau qui peut être utilisé comme anode pour les batteries sodium-ion.
Les anodes ont été testées dans un prototype de batterie, avec des résultats encourageants. Les deux composites ont montré de bonnes capacités énergétiques et ont pu supporter jusqu’à 200 cycles de charge/décharge.
